离心力和向心力在生活中的应用(离心力和向心力在生活中的作用)

作者:袁宇翔

摘要:向心力和离心力是生活中常见的两种力，应用广泛。它们不仅出现在我们的日常生活中，在生物、化学等领域也有它们的用途。

关键词:向心力、离心力、向心加速度、圆周运动

第一，向心力

向心力是指经典力学中物体沿圆周或曲线轨迹运动时，指向圆心(曲率中心)的合力。“向心力”这个词就是根据这种合力的作用而命名的。这种作用可以由弹性、重力、摩擦力等任何力产生，也可以由几个力或它们的分量的合力提供。

图1：向心力受力分析图1:向心力分析

因为圆周运动属于曲线运动，所以圆周运动中的物体也会受到与其速度方向不同的合力。对于做圆周运动的物体来说，向心力是一种拉力，它的方向随着物体在圆周轨道上的运动而不断变化。这个拉力沿着圆周的半径指向圆周的中心，因此得名“向心力”。向心力指向圆心，受向心力控制的物体沿切线方向运动，所以向心力必须垂直于被控制物体的运动方向，只产生速度法线方向的加速度。所以向心力只是改变了被控对象的运动方向，而不改变运动速率，即使是非匀速圆周运动。在非匀速圆周运动中，改变运动速率的切向加速度不是向心力产生的。

因为向心力，诱发圆周运动。圆周运动根据速度是否变化可分为匀速圆周运动和非匀速圆周运动。

匀速圆周运动的物体速度不变，但方向改变，所以加速度始终指向圆心，大小不变；外力始终指向圆心，大小不变。

向心力做非匀速圆周运动的物体，速度方向和大小都变化。除了指向圆心的加速度，还有沿切线方向的加速度，所以合成加速度不指向圆心，合力也不指向圆心。物体的向心加速度a = v/r随v的值变化，向心力a随F=ma的值变化。比如球在垂直面内沿光滑的圆形轨迹运动，如图，当球从上至下通过A点时，受到两个力的作用，其中重力G的方向与Va相同，改变了球的速度，轨迹的弹力N与Va垂直，指向圆心，改变了球的速度方向，即给球提供了圆周运动。

在变速圆周运动中，向心力不是恒定的。

匀速圆周运动中，外力不改变线速度，只改变线速度的方向，向心力就是物体上的外力。变速圆周运动中，外力一方面改变线速度，另一方面改变线速度的方向，所以向心力不一定等于物体上的外力，而且由于变速圆周运动的线速度不是常数，变速圆周运动中的向心力也不是常数。

卫星绕地球运行时，也受到地球引力的作用，绕地球做匀速圆周运动。类似的例子还有很多，比如过山车，所有的圆周运动都受到向心力的影响。

2.离心力

离心力是一种虚力或惯性力，使旋转的物体远离其旋转中心。

一般来说，离心力不是真正的力。它的作用只是在旋转参照系(非惯性参照系)中仍然可以使用牛顿运动定律。惯性参照系中没有惯性力，而非惯性参照系(如旋转参照系)中需要惯性力，否则牛顿运动定律不能用。在牛顿力学中，离心力已经被用来表达两个不同的概念:在非惯性参考系中观察到的惯性力和向心力的反作用力。在拉格朗日力学下，离心力有时用来描述广义坐标中的广义力。

其实离心力是惯性的一种表现，其实是不存在的。物体要做圆周运动，需要一个指向圆心的力——向心力。如果以这个物体为原点建立坐标，看起来就好像有一个与向心力大小相等方向相反的力，使物体远离圆周运动的圆心。(当物体所受的力不足以提供圆周运动所需的向心力时，看起来好像离心力大于向心力，物体就会向远离圆心的方向运动。这种现象被称为“离心现象”。)

应用:卫星在天体上，在主星边缘惯性移动。因为主星的引力束缚了卫星，使卫星做圆周运动。如果卫星的惯性运动力(速度)大于主星的引力束缚力，卫星就会离中心更远。在地球上，一个物体在固定的中心边缘惯性运动。因为物体的约束力束缚着物体，所以物体做圆周旋转。如果物体的惯性力(速度)大于物体的约束力，惯性运动的物体就会远离中心。因为水和气体的结合力很低，它们都会远离中心。具有高结合力的金属不会离心分离。体育方面，主要有链球，生物方面，有离心机。

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向心力和离心力都是因合力的作用而得名，都是由重力、摩擦力和弹力产生的。所以，只有牢牢把握住基本的受力分析，才能更深刻地理解这两种力。

参考资料:

[1]物理必修2

[2]百度文库